JPH02112161A - 燃料電池用カーボン部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電極、セパレークおよびザイドシールを複合
一体的に形成してなるりん酸型燃料電池用カーボン部材
の製造方法に関する。

［従来の技術］ 近時、燃料電池を構成するカーボン部材において、機械
的強度の向上、電気的・熱的抵抗の低減およびセル組立
の簡素化を図るために電極とセパレータの両部材を予め
一体形成して複合構造とする試みが盛んに進められてい
る。

このような複合部材の製造手段としては、例えば特開昭
６０−２０４７１号公報、実開昭６０−１５７５９号公
報などに開示されているような電極材、セパレータ材お
よびサイドシール材を接着剤で結合したのち焼成処理す
る接合焼成法が実用性に優れて（る。この接合焼成法に
は、カーボン材からなる電極、セパレータおよびサイド
シールを接合して焼成する方法と、カーボン化（焼成炭
化）前の成形基材であるグリーン前駆体段階の電極、セ
パレータおよびサイドシールを接合して焼成する方法と
がある。

一般に、上記の燃料電池用複合部材を製造するにあたっ
て要求されるポイントは、複合構成としての性能確保、
接合部分（とくにサイドシール部）の信顧性確保、そし
て工程の短縮、簡略化にあるが、上述した接合焼成法の
うち後者のグリーン前駆体接合方式はこれらの要求項目
を一応満たすものといえる。

ところが、グリーン前駆体接合方式の場合にはサイドシ
ール部の設置に困難性があって同時接合ができないため
、電極基材の接合処理後に別途接合しなければならない
工程上の煩雑性があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の欠点を解消する方策として、特定性状のガス隔離
セパレータ部ならびにガス漏出防止縁部（サイドシール
部）とが炭化焼成により一体化された燃料電池セパレー
タ及びその製造方法（特開昭６１−１９０７１号公報）
、気体不透過性炭素質板の両面に縁端部分を除いて互い
に直交する方向に凹設部を設ｉＪることによりサイドシ
ール部とセパレータ材を−・体に形成し、この凹設部に
樹脂含浸した多孔性シートを介して電極材を接合したの
ち焼成処理する燃料電池用複合電極の製造方法（特開昭
６２−１８８１７３号公報）などが提案されている。

しかしながら、セパレータ材とサイドシール部とを炭化
焼成により一体化する特開昭６１−１９０７１号の方法
では両部材の接合界面における気密性が十分に付与され
ない問題点があり、また特開昭６２１８８１．７３号の
方法は、セパレータ材とサイドシール部間の気密性につ
いては万全に保持されるが、複合構造全体としての性能
に改良の余地があり、例えば実用過程における部材の剥
離、損耗、破損などの現象を払拭することができなかっ
た。

本発明は、複合構造としての性能を改善するとともに部
材接合部分の信顧性と製造工程の簡素化を図った製造方
法の捉供を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するための本発明による燃料電池用カ
ーボン部材の製造方法は、グリーン前駆体の段階でサイ
ドシール部を形成する縁端部分を残して凹面状に成形し
たセパレータ基材またはこれを焼成炭化したセパレータ
材に、多孔質炭素電極を構成するグリーン前駆体基材ま
たはこれを焼成炭化した電極材を嵌装して一体に接合し
たのち焼成処理して複合構造のカーボン部材を得る方法
において、セパレータ材として熱膨張係数３Ｘ１０−６
゛Ｃ−１以下、曲げ強度９００ｋｇ／ｃ／以上、気体透
過量１０−’ｃｃ／ｃ＋Ｉｔ　・ｍｉｎ以下およびｇ線
電流密度５／７Ａ／ｄ以下のカーボン特性を有する材料
を選択し、かつ接合時、凹面に熱硬化性樹脂系の接着剤
を塗布することを構成上の特徴とする。

サイドシール部を備えるセパレータのグリーン前駆体は
、好ましくは黒鉛のようなカーボン質の微粉末とフェノ
ール系あるいはフラン系など高炭化性の熱硬化性樹脂と
の混練物を縁端部分を残して凹面状に成形しえる所定形
態の金型に填めて熱圧することにより形成される。形成
されたグリーン前駆体によるセパレータ基材は、非酸化
雰囲気中で８００°Ｃ以上の温度に加熱処理し樹脂成分
を焼成炭化することによってカーボンセパレータ材とす
ることもできる。

上記工程において、フェラーとして用いる黒鉛微粉末の
粒度、熱硬化性樹脂バインダーの配合比率、混練の条件
等を調整制御することにより、本発明で特定した熱膨張
係数３ＸｌＯ−’℃−１以下、曲げ強度９００ｋｇ／ｃ
＋ｆ１以上、気体透過量１０−’ｃｃ／ｃ＋ｆｌ　・ｍ
ｉｎ以下および腐蝕電流密度５ハ／　ｃ＋！以下のカー
ボン特性が付与される。

なお、これらのカーボン特性のうち、気体透過量は使用
ガス；窒素、圧カニ］ｋｇ／ｃ＋ｆｌ、温度；常温での
測定値、また、ここでいう腐蝕電流密度とは２００°Ｃ
のりん酸中において陽極電位０．８ＶＲＨＥ。

通電開始後５００分後での測定値をさし、更に曲げ強度
はＪＩＳ　Ｋ６９１１、熱膨張係数は炭素協会規格ＪＣ
ＡＳ−１８−１９７８を適用して得られた値を用いるも
のとする。但し、熱膨張係数は常温から２００°Ｃまで
のものとする。

上記のカーボン特性は複合構造の性能改善に必要な要件
で、この限界値を外れるとヒートサイクルに伴う部材の
剥離、損耗、破損などの発生が著増する。

凹面の成形はセパレータ材の片面または両面に形成され
るが、両面に形成する場合には第１図に示すようにサイ
ドシール部１となる縁端部分およびセパレータ材２とな
る凹面の方向が上下面において互いに直交する状態に成
形される。

多孔質炭素電極は、炭素繊維あるいはポリアクリルニト
リル、セルロースなどの有機質繊維を例えばフェノール
樹脂のような熱硬化性樹脂と共にモールド法、抄紙法等
の手段を用いて薄板状に成形し加熱硬化する方法でグリ
ーン前駆体基材が得られ、これを非酸化雰囲気中８００
’Ｃ以上に焼成炭化することによりカーボン化電極材が
形成される。

サイドシール部を有するセパレータ基材またはセパレー
タ材と電極基板または電極材の接合は、セパレータの凹
面に熱硬化性樹脂系の接着剤を塗布したのち電極部材を
嵌装し５０〜２００°Ｃ程度の温度と１ｋｇ／ｃ＋＋Ｔ
以上の加圧力を適用して熱圧することによっておこなわ
れる。

使用される熱硬化性樹脂系の接着剤にはフェノール系ま
たはフラン系樹脂の初期縮合物に適宜な硬化剤を配合し
たものが好適であるが、これに黒鉛、コークス等のカー
ボン微粉末を３０〜７０重量％の範囲で均一混合すると
固有抵抗を低下させるために有効である。

また、接合時、予め凹面を１０μｍＲＺ以上の表面粗さ
に研磨処理することにより、接合強度が著しく向上する
。

接合後の複合部材は、常法に従って非酸化性雰囲気下に
１０００〜２０００’Ｃの温度域で焼成炭化し、更に必
要に応して３０００°Ｃの温度で黒鉛化処理をおこなう
。第２図は、焼成処理後の形態を示したもので、１はサ
イドシール部、２はセパレータ材、３はセパレータ材の
上下凹面に一体接合した電極材である。

このようにして得られた複合構造のカーボン部材は、第
３図に示すように電極材に所定の溝４を切削するととも
に外形仕上げ加工を施して燃料電池用セルとする。

〔作　用〕

このように、本発明により製造される複合構造の燃料電
池用カーボン部材は、サイドシール部とセパレータ材が
同一材料で一体形成されているためこの部位の気密性お
よび界面剥離が間匙となることはなく、そのうえセパレ
ータ材の材質特性を選択して実用性能の向上を図ってい
るので、ヒートサイクルによる部材の剥離、損耗、破損
等の現象発生は効果的に減少する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。

実施例１〜３、比較例１〜２ 平均粒径５μｍの黒鉛微粉末と液状フェノール樹脂（住
友デュレズ■製、“ＰＲ９４０”　）をニーグーで均質
に混練したのち、凹形状金型を用い温度１５０°Ｃ１圧
カニ　　１００ｋｇ　／　ｃｄｌの条件で１５分間熱圧
成形した。成形されたグリーン前駆体は、上下面にサイ
ドシール部を形成する縁端部分を残して厚さＩＩＩＩＩ
ｌｌの凹面が直交状に形成された一辺１５０ｍｍの正方
形薄板であった。ついで、成形品を電気炉に移し、窒素
ガス雰囲気中で１３００″Ｃまでの温度で焼成炭化して
特性の異なる５種類のカーボンセパレータ材（第１図形
状）を得た。

炭素繊維チョップ（平均径１５デニール、平均長８ｍｍ
）７０重量部、水溶性フェノール樹脂〔日本ライヒホー
ルド■製、“プライオーフェンＪ３０３　”“〕１１０
重量および水２０重量部を攪拌混合して均一なスラリー
状分散液を調製した。このスラリーを抄紙法によって薄
板状に成形し、１７０°Ｃで加熱硬化したのち窒素雰囲
気に保持した電気炉中で１０００°Ｃの温度により焼成
炭化して緬１５０ｍ＋ｎ、横１００ｍｍ、厚さｌ　ｍｍ
の多孔質炭素電極材を作成した。得られた電極材の特性
は、見掛比重０．５６ｇ／ｃｃ、気孔率６８．１％であ
った。

次に、セパレーク材の上下凹面をサンドペーパ研磨によ
り２０μｍＲＺの表面粗さに仕上げ、この面にフェノー
ル樹脂初期縮合物１００重量部、黒鉛微粉（平均粒径２
０ｆｍ）８０重量部、パラトルエンスルホン酸クロライ
ド５重量部を各配合した接着剤を均質に塗布した。引続
き上下凹面に電極材を嵌装し、８０゛Ｃの温度と５　ｋ
ｇ　／　ｃｉの圧力に１時間保持して接合した。

接合部材は、電気炉に移し窒素雰囲気下で１３００°Ｃ
の温度で焼成処理したのち、電極材の溝加工その他の仕
上加工を施して第３図のような複合構造の燃料電池用カ
ーボン部材を製造した。

上記のようにして製造した各カーボン部材を５セル積層
した試験セルを用いて発電テスト（２００°Ｃ１０，８
ＶＲＨＥ、　１００Ｏｈｒ、　　ｌ　ｋｇ／ｃ＋ｆｌ）
を実施した。

その結果をセパレータ材の特性と対比させて下表に示し
た。

上表に示したように、本発明のセパレータ材′＋ｈ性要
件を満たす実施例はいずれも異常は認められなかった。

（発明の効果） 異常のとおり、本発明に従えばザイトシール部と一体化
したセパレータ材の材質特性を選択することによって複
合構造としての性能、部材接合部の信頼性等を改善した
燃料電池用カーボン部材を簡素なプロセスで製造するこ
とができるから、常に安全な発熱操業が保証される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセパレータ材を示した斜視図、第２図
はセパレータ材に電極材を接合して焼成処理した形態を
示す斜視図、第３図は最終形態を示す斜視図である。 １・・・ザイドシール部、　　２・・セパレータ材、３
・・電極材、　　　　　４・・・溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、グリーン前駆体の段階でサイドシール部を形成する
   縁端部分を残して凹面状に成形したセパレータ基材また
   はこれを焼成炭化したセパレータ材に、多孔質炭素電極
   を構成するグリーン前駆体基材またはこれを焼成炭化し
   た電極材を嵌装して一体に接合したのち焼成処理して複
   合構造のカーボン部材を得る方法において、セパレータ
   材として熱膨張係数３×１０＾−＾６℃＾−＾１以下、
   曲げ強度９００ｋｇ／ｃｍ＾２以上、気体透過量１０＾
   −＾５ｃｃ／ｃｍ＾２・ｍｉｎ以下および腐蝕電流密度
   ５μＡ／ｃｍ＾２以下のカーボン特性を有する材料を選
   択し、かつ接合時、凹面に熱硬化性樹脂系の接着剤を塗
   布することを特徴とする燃料電池用カーボン部材の製造
   方法。 ２、接合時、予め凹面を１０μｍＲＺ以上の表面粗さに
   処理する請求項１記載の燃料電池用カーボン部材の製造
   方法。